大学生宿舍限电控制器的设计.doc

毕 业 设 计 论 文题目：大学生宿舍限电控制器的设计系 别：电子与电气工程系专 业：电气工程及其自动化姓 名：岳亚军学 号：1214050528指导教师：任琦梅河南城建学院2009年 5月25日河南城建学院 毕业设计（论文）任 务 书题 目大学生宿舍限电控制器的设计系 别电子与电气工程专业电气工程自动化班级12140505学号1214050528学生姓名岳亚军指导教师任琦梅发放日期2009年3月2日河南城建学院教务处制河南城建学院本科毕业设计（论文）任务书一、主要任务与目标：主要任务：完成满足要求的学生宿舍限电控制器的设计，并编写毕业设计说明书。目标：1、培养学生综合运用所学理论知识的能力。2、培养学生分析和解决实际问题的能力。3、培养学生调查研究、查阅技术文献、资料、手册以及编写技术文献的能力。二、主要内容与基本要求：主要内容：1、 分析学生公寓用电实际情况和电能管理现状。2、 确定用电管理系统的总体设计方案。3、 完成系统个部分软硬件设计，进行器件选型。基本要求：1、 能对各公寓电能进行准确计量和记录。2、 能有效识别热得快、电炉等恶性负载。3、 能进行远程参数设置和远程复位。三、计划进度：毕业设计从第5周到第16周共12周时间。第5周，熟悉题目，查阅资料，调研。第6周，确定系统硬件和软件设计 。第713周，进行系统。第14周，进行程序调试。第15周，编写整理设计说明书。第16周，答辩。四、主要参考文献：1刘福启、韩宝华.电子制作2005年合定本M.北京：电子制作杂志社,20052阉石.数字电子技术基础M.北京：高等教育出版社，20043谢嘉奎.电子线路线性部分（第四版）M.北京：高等教育出版社，20044刘乐善、刘学清.微型计算机接口技术及应用M.武汉：华中科技大学出版社，20055薛永毅.新型电源电路应用实例M.北京：电子工业出版社，20016高峰.单片机微型计算机原理与接口技术M.北京：科学出版社，20037Jean J.Labrosse、邵贝贝.嵌入式实时操作系统uC/OS-M.北京：北京航空航天大学出版社，20038何立民.单片机高级教程-应用与设计M.北京：北京航空航天大学出版社，20009胡汉才.单片机原理及接口技术M.北京：清华大学出版社,199610沙占友、孟志永、王彦.单片机外围电路设计M.北京：电子工业出版社, 2006指导教师（签名）： 年 月 日教研室审核意见： （建议就任务书的规范性；任务书的主要内容和基本要求的明确具体性；任务书计划进度的合理性；提供的参考文献数量；是否同意下达任务书等方面进行审核。） 教研室主任签名： 年 月 日注：任务书必须由指导教师和学生互相交流后，由指导老师下达并交教研室主任审核后发给学生，最后同学生毕业论文等其它材料一起存档。成绩评定成绩评定说明一、答辩前每个学生都要将自己的毕业设计（论文）在指定的时间内交给指导，教师，由指导教师审阅，写出评语并预评分。二、答辩工作结束后，答辩小组应举行专门会议按学校统一的评分标准和评分办法，在参考指导教师预评结果的基础上，评定每个学生的成绩。系对专业答辩小组提出的优秀和不及格的毕业设计（论文），要组织系级答辩,最终确定成绩，并向学生公布。三、各专业学生的最后成绩应符合正态分布规律。四、具体评分标准和办法见平顶山工学院毕业设计（论文）工作条例中附录2。五、答辩小组评分包括两部分：（1）学生答辩情况的得分和评阅教师评分；（2）指导教师对学生毕业设计（论文）的评分毕业设计（论文）成绩评定班级 姓名 学号综合成绩： 分（折合等级 ）答辩小组组长签字 年 月 日答辩小组评定意见一、评语（根据学生答辩情况及其论文质量综合评定）。二、评分（按下表要求评定）评分项目答 辩 小 组 评 分评 阅 教 师 评 分合计（40分）完成任务情 况（5分）毕业设计（论文）质量（5分）表达情况（5分）回答问题情 况（5分）质 量（正确性、条理性、创造性、实用性）（10分）成果的技术水平（科学性、系统性）（10分）答辩小组成员签字 年 月 日 毕业答辩说明1、答辩前，答辩小组成员应详细审阅每个答辩学生的毕业设计（论文），为答辩做好准备，并根据毕业设计（论文）质量标准给出实际得分。2、严肃认真组织答辩，公平、公正地给出答辩成绩。3、指导教师应参加所指导学生的答辩，但在评定其成绩时宜回避。4、答辩中要有专人作好答辩记录。指导教师评定意见一、对毕业设计（论文）的学术评语（应具体、准确、实事求是）： 签字： 年 月 日二、对毕业设计（论文）评分按下表要求综合评定。（1）理工科评分表评分项目（分值）工作态度与 纪 律（10分）毕业设计（论文）完成任务情况与水平（工作量与质量）（20分）独 立工作能力（10分）基础理论和基本技能（10分）创 新能 力（10分）合 计（60分）得分（2）文科评分表评分项目（分值）文献阅读与文献综述（10分）外文翻译（10分）论文撰写质量（10分）学习态度（10分）学术水平（20）论证能力与创新（40分） 合 计（100分）得分 指导教师签字： 年 月 日50 目录目录1摘 要2Abstract3第一章 限电控制器概述41.1 课题的背景41.2 课题研究的意义41.3 课题研究的目的4第二章 方案论证及系统设计62.1 有功功率测量方案论证62.2 系统设计8第三章 系统硬件介绍93.1 单片机介绍93.1.1 单片机简介93.1.2 单片机编程语言介绍103.1.3 系统选择123.1.4 AT89C51引脚功能介绍133.1.5 定时器0和1使用153.2 ADE7755原理介绍173.2.1 AD7755简介173.2.2 ADE7755的有功功率测量原理19第四章 硬件设计224.1单片机最小系统224.2 供电电路图设计234.3 继电器接口电路244.4 键盘电路设计244.5 显示电路设计264.6 电量采集电路硬件设计27第五章 软件设计285.1 Keil C51简介285.2 各个模块程序介绍305.2.1 键盘子程序设计305.2.2 显示子程序305.2.3 定时器1子程序325.2.4 频率子程序32第六章 全文总结与展望346.1 结论346.2 设计完善346.3 展望35致谢36参考文献37附录一：电路图38附录二：各模块流程图39附录三：参考程序41摘 要目前大学生宿舍已普遍实行公寓化管理，如何科学合理地对学生进行电能管理是一个亟待解决的问题。本文设计了一种采用ADI公司的电能计量芯片ADE7755的自动限电控制系统，通过对用电情况的监视，查处异常用电，从而有效地限制了学生使用热得快、电炉子、白炽灯等易引起火灾的用电器。该系统监测到宿舍用电超过限定功率即自动停电且发出报警声，并能通过数码管显示当前电流，电压，功率值。关键词：功率测量 AT89C51单片机 ADE7755 LED显示 AbstractCurrently with the popularization of the apartments management ,how to manage the electric power reasonably becomes a very important topic to studied.In this paper, a design using ADIs chip ADE7755 Energy Metering automatic power control system, through the use of electricity in the surveillance, investigation and handling of unusual power, thus effectively limiting the students to use the heat faster, electric sub, incandescent, etc. easy to use electrical fire. Monitoring the system to the hostel for more than limited use of electricity blackouts and power that is automatically sent alarm sound, and can display the current digital tube current, voltage, power values. Keywords: power measurement AT89C51 MCU ADE7755 LED display第一章 限电控制器概述1.1 课题的背景随着人们生活水平的提高，以及微电子，自动控制和计算机等技术的飞速发展和广泛应用，人们对住宅的安全性能的要求也越来越高，智能住宅的安全防范系统也应运而生。而在当今智能化住宅小区蓬勃发展的时候，却忽视了同样需要智能化管理的一块巨大市场大学校园。随着物质生活的富裕，和计划生育的实施，当代的大学生是在家长的溺爱和应试教育的模式下成长起来的一代，大多缺乏独立生活的能力，和对生活常识的了解，对能源的节约意识也不够强。所以公寓寝室经常发生诸如能源浪费，火灾等事件，给学校造成了巨大的损失，也给学生的生命财产带来了巨大的威胁。高校后勤社会化是社会主义市场经济发展的必然趋势，是我国高等教育跨越性发展的前提，是科教兴国战略的客观需要。而在高校的各项后勤工作中，学生公寓的管理和服务是后勤工作不可或缺的重要组成部分，因此必然成为改革中的重要内容。但学生公寓等后勤设施不完善、管理水平有待提高，仍然是制约高等教育发展的一个关键因素。1.2 课题研究的意义 为此，为进一步规范加强学生公寓的管理，健全防火安全长效机制。在完善规章制度，健全组织机构的同时，利用先进的科技手段，发展智能化管理系统。坚决杜绝违章用电，特别是学生公寓内的违章用电问题，做好学生公寓的防火防盗工作。充分依靠技术手段完善管理缺陷，实现管理智能化。通过硬件系统的构建，实现放火防盗等功能。借助信息技术手段，建设学生生活网络和公寓管理服务网络，用计算机进行科学的管理和服务，体现高效管理，实施高效服务。教育部近年来曾两次下发文件，要求“学生公寓内要设立火灾预警监视系统、恶性用电识别装置，通过技术防范设施防止火灾发生”。据京华时报报道，北京市高校秋季学生公寓安全检查也于2006年10月10日正式启动。其中，检查重点为学生公寓安全，尤其是用电安全。但要真正做到用电安全，必须在平时对学生公寓的用电进行控制。 1.3 课题研究的目的本课题根据安全防范系统的发展现状及其发展趋势，研究并设计了一个具体针对学生公寓特殊情况的，比较完整的用电安全防范系统。其目的就是设计一个限电自动控制器，使其在允许用电功率范围内能正常用电，超过限定功率即自动停电且发出报警声，并能通过数码管显示当前电流，电压，功率值。 第二章 方案论证及系统设计2.1 有功功率测量方案论证对于交流功率，有： 其中瞬时功率 其中有功功率 其中无功功率 其中视在功率 所以 有功功率测量方案分感应式电能测量和电子式测量功率。电子式测量功率是采用乘法器来实现电功率测量的，被测电压和电流通过电压变换器和电流变换器转换后送至乘法器，乘法器完成电压和电流瞬时值相乘，输出一个与平均功率成正比的直流电压，再用模拟电路或微处理系统进行处理。这里主要论述电子式有功功率测量方案：方案一：用四象限模拟乘法器。功率P=UI，所以可以用模拟乘法器测量功率，基本原理如图。设，ZL是负载，经过RC滤波器后，其平均值代表有功功率。 图2.1所示，这种方法是用纯模拟器件进行处理，他的特点是成本高，容易受干扰，精度不如意做高。图2.1 纯模拟电路处理电路方案二： 直接对电压，电流进行ADC采样，用软件计算有功功率。这种方法是用两路ADC分别对电压和电流进行量化，其中：N是一个周期内的采样点数，T为电压电流的周期，为采样间隔时间，和是电压和电流采样点的离散值。单相有功功率的平均值是：单相功率因数的计算：这种方法是用微处理器直接对电压，电流进行ADC采样，特点是ADC硬件成本高，因为要做大量运算对微处理器性能要求比较高，精度也不容易做高。方案三：用专用电能计量芯片。如ADI公司的ADE7755专用电能计量芯片。ADE7755是用于电能计量设备上的芯片，它将有功功率的信息以频率的形式输出。在50/60Hz输入信号时都能满足IEC687/1036标准规定的测试精度要求，在1000：1的输入动态范围内，测试误差小于0.1%。ADE7755特点：(1)在50/60Hz输入信号时都能满足IEC687/1036标准规定的测试精度要求，在1000：1的输入动态范围内，测试误差小于0.1%； (2)具有负功率或错线指示功能； (3)片内带有抗混叠滤波器； (4)带有电源电压检测功能，电源电压降低到80VDD时，芯片自动复位； (5)2.5V片内高精度参考电压源，绝对偏差小于4%，温漂小于20ppm/； (6)5V单电源工作，正常工作时芯片功耗30mW； (7)工作温度范围4085的特点；(8)成本1美元。根据上面优缺点分析采用第三种方案。2.2 系统设计系统设计的思想是用专用电能计量芯片对系统功率进行测试，用单片机对系统功率进行实时监控，但一段时间内的功率平均值超过设定值时，控制继电器切断电路，当人工处理后重新接通电路，对用户供电。系统示意图如图2.2所示：ADE7755微处理器继电器接口电路分流器分压电路按键电路显示电路电源电路负载中线220V交流相线图2.2 系统硬件示意图第三章 系统硬件介绍 3.1 单片机介绍3.1.1 单片机简介1.单片机概述单片微机（Single-Chip Microcomputer）简称单片机，也有的叫做微处理（Micro-Processor简写P）或微控制器（Micro-Controller 简写C），通常统称微型处理部件（Micro Controller Unit简写MCU）。一般的说，单片机就是在一块硅片上集成CPU、RAM、ROM、定时器/计数器、和多种I/O的完整的数字处理系统。二十世纪，微电子、IC集成电路行业发展迅速，其中单片机行业的发展最引人注目。单片机功能强、价格便宜、使用灵活，在计算机应用领域中发挥着极其重要的作用。从INTEL公司于1971年生产第一颗单片机Intel-4004开始，开创了电子应用的“智能化”新时代。单片机以其高性价比和灵活性，牢固树立了其在嵌入式微控制系统中的“霸主”地位，在PC机以286、386、Pentium、P高速更新换代的同时，单片机却“始终如一”保持旺盛的生命力。例如，MCS-51系列单片机已有十多年的生命期，如今仍保持着上升的态势就充分证明了这一点。2.单片机的结构与组成目前，单片机的系统结构有两种类型：一种是将程序和数据存储器分开使用， 即哈佛（Harvard）结构，当前的单片机大都是这种结构。另一种是采用和PC机的冯.诺依曼（Von Neumann）类似的原理，对程序和数据存储器不作逻辑上的区分，用来存放用户程序，可分为EPROM、OTP、ROM和FLASH等类。EPROM型内存编程后其内容可用紫外线擦除，用户可反复使用，故特别适用于开发过程，但EPROM型单片机价格很高。具有ROM型（掩膜型）内存的单片机价格最低，它适用于大批量生产。由于ROM型单片机的代码只能由生产厂商在制造芯片时写入，故用户要更改程序代码就十分不便，在产品未成熟时选用ROM型单片机风险较高。OTP型（一次可编程）单片机介于EPROM和ROM型单片机之间，它允许用户自己对其编程，但只能写入一次。OTP型单片机生产多少完全可由用户自己掌握，不存在ROM型有最小起订量和掩膜费问题，另外，该类单片机价格已同掩膜型十分接近，故特别受中小批量客户的欢迎。Flash型（闪速型）单片机允许用户使用编程工具或在线快速修改程序代码，且可反复使用，故一推出就受到广大用户的欢迎。Flash型单片机,即可用于开发过程，也可用于批量生产，随着制造工艺的改进，Flash型单片机价格不断下降，使用越来越普遍，它已是现代单片机的发展趋势。 随机内存（RAM）：用来存放程序运行时的工作变量和数据，由于RAM的制作工艺复杂，价格比ROM高得多，所以单片机的内部RAM非常宝贵，通常仅有几十到几百个字节。RAM的内容是易失性（也有的称易挥发性）的，掉电后会丢失。最近出现了EEPROM或FLASH型的数据存储器，方便用户存放不经常改变的数据及其它重要信息。单片机通常还有特殊寄存器和通用寄存器，它们是单片机中存取速度最快的内存，但通常存储空间很小。3.中央处理器（CPU）是单片机的核心单元，通常由算术逻辑运算部件ALU和控制部件构成。CPU就象人的大脑一样，决定了单片机的运算能力和处理速度。 并行输入/输出（I/O）口:通常为独立的双向口，任何口既可以用作输入方式，又可以作输出方式，通过软件编程来设定。现代的单片机的I/O口也有不同的功能 ，有的内部具有上拉或下拉电阻，有的是漏极开路输出，有的能提供足够的电流可 以直接驱动外部设备。I/O是单片机的重要资源，也是衡量单片机功能的重要指针之一。串口输入/输出口:用于单片机和串行设备或其它单片机的通信。串行通信有同步和异步之分，这可以用硬件或通用串行收发器件来实现。不同的单片机可能提供不同标准的串行通信接口，如UART、SPI、Micro Wire等。4.定时器/计数器（T/C）单片机内部用于精确定时或对外部事件（输入信号如脉冲）进行计数，有的单片机内部有多个定时/计数器。5.系统时钟通常需要外接石英晶体或其它振荡源来提供时钟信号输入，也有的使用内部RC振荡器。 以上是单片机的基本构成，现代的单片机又加入了许多新的功能部件，如模拟/数字转换器（A/D）、数字/模拟转换器（D/A）、温度传感器、液晶（LCD）驱动电路、电压监控、看门狗（WDT）电路、低压检测（LVD）电路等等3.1.2 单片机编程语言介绍对于51系列单片机，现有四种语言支持，即汇编、PL/M，C和BASIC。BASIC通常附在PC机上，是初学编程的第一种语言。一个新变量名定义之后可在程序中作变量使用，非常易学，根据解释的行可以找到错误而不是当程序执行完才能显现出来。BASIC由于逐行解释自然很慢，每一行必须在执行时转换成机器代码，需要花费许多时间不能做到实时性。BASIC为简化使用变量，所有变量都用浮点值。BASIC是用于要求编程简单而对编程效率和运行速度要求不高的场合。PL/M是Intel从8080微处理器开始为其系列产品开发的编程语言。它很像PASCAL，是一种结构化语言，但它使用关键词去定义结构。PL/M编译器好像汇编器一样可产生紧凑代码。PL/M总的来说是“高级汇编语言”，可详细控制着代码的生成。但对51系列，PL/M不支持复杂的算术运算、浮点变量而无丰富的库函数支持。学习PL/M无异于学习一种新语言。C语言是一种源于编写UNIX操作系统的语言，它是一种结构化语言，可产生压缩代码。C语言结构是以括号 而不是子和特殊符号的语言。C可以进行许多机器级函数控制而不用汇编语言。与汇编相比，有如下优点：对单片机的指令系统不要求了解，仅要求对51的内存结构有初步了解寄存器分配、不同内存的寻址及数据类型等细节可由 编译器管理程序有规范的结构，可分为不同的函数。这种方式可使程序结构化将可变的选择与特殊操作组合在一起的能力，改善了程序的可读性编程及程序调试时间显著缩短，从而提高效率提供的库包含许多标准子程序，具有较强的数据处理能将已编好程序可容易的植入新程序，因为它具有方便的模块化编程技术 C语言作为一种非常方便的语言而得到广泛的支持，C语言程序本 身并不依赖于机器硬件系统，基本上不做修改就可根据单片机不同较快地移植过来。51的汇编语言非常像其它汇编语言。指令系统比第一代微处理器要强一些。51的不同存储区域使得其复杂一些。尽管懂得汇编语言不是你的目的，看懂一些可帮助你了解影响任何语言效率的51特殊规定。例如，懂得汇编语言指令就可以使用在片内RAM作变量的优势，因为片外变量需要几条指令才能设置累加器和数据指针进行存取。要求使用浮点和启用函数时只有具备汇编编程经验才能避免生成庞大的、效率低的程序，这需要考虑简单的算术运算或先算好的查表法。最好的单片机编程者应是由汇编转用C而不是原来用过标准C语言的人。由此来看，单片机有着微处理器所不具备的功能，它可单独地完成现代工业控制所要求的智能化控制功能，这是单片机最大的特征。3.1.3 系统选择本系统以MCS-51单片机成员中的AT89C51为控制核心。AT89C51是美国ATMEL公司生产的低功耗，高性能CMOS 8位单片机，片内含4k bytes的可系统编程的Flash只读程序内存，器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准8051指令系统及引脚。它集Flash程序内存既可在线编程（ISP）也可用传统方法进行编程及通用8位微处理器于单片芯片中，ATMEL公司的功能强大，低价位AT89C51单片机可为您提供许多高性价比的应用场合，它灵活应用于各种控制领域。主要性能参数：（1）与MCS-51产品指令系统完全兼容（2）4K字节在系统编程（ISP）Flash闪速内存（3）1000次擦写周期（4）4.0-5.5V的工作电压范围（5）全静态工作模式：0Hz33MHz（6）三级程序加密锁（7）2568字体内部RAM（8）32个可编程I/O口线（9）3个16位定时/计数器（10）5个中断源（11）全双工串行UART通道（12）低功耗空闲和掉电模式（13）中断可从空闲模唤醒系统（14）看门狗（WDT）及双数据指针（15）掉电标识和快速编程特性（16）灵活的在系统编程（ISP字节或页写模式）其内部结构结构如图3.1所示： 图3.1 单片机内部结构图3.1.4 AT89C51引脚功能介绍1.电源引脚Vcc和GND Vcc：电源电压，GND(10脚)：接地端。2.时钟电路引脚XTALl和XTAL2 XTAL2(18脚)：接外部晶体和微调电容的一端。在内它是振荡电路反相放大器的输出端，振荡电路的频率就是晶体的固有频率。要检查单片机的振荡电路是否正确工作，可用示波器查看XTAL2端是否有脉冲信号输出。XTAL1(19脚)：接外部晶体的微调电容的另一端。在片内它是振荡电路反相放大器的输入端。若需采用外部时钟电路时，该引脚输入外部时钟脉冲如图3.2，3.3所示：图3.2 AT89S51单片机晶振接法 图3.3 外部时钟电路3.控制信号引脚RSTRES(8脚)“RST是复位信号输入端，高电平有效。当此输入端保持两个机器周期(24个时钟振荡周期)的高电平时，可以完成复位操作。4.IO(输入输出) P0、 P1、 P2和 P3标准51单片机，如8051、8031、AT89C51、AT89S51、P89C51等有4个IO(输入输出)口，分别为：P0口(3932脚)：P0口是一个漏极开路的8位双向埠。作为漏极八路的输出端口，每次能驱动8个Ls型TTL负载。当P0口作为输入口使用时，其先向锁存器(地址80H)写入全1，此时P0口的全部引脚悬空，叫作为高阻抗输入。P1口(18脚)：P1口是一个带上拉电阻的8位准双向I/O端口每一位能驱动(吸收成输出电流)4个LS型TTL负载。在P1口作为输入口使用时，应先向P1口锁存器(地址90H)写入全1,上拉电阻接成高电平。P2口(2128脚)：P2口是一个带内部上接电阻的8位准双向埠。P2口的每一位能驱动4个LS型TTL负载。P3口(2128脚)： P3口是一个带内部上接电阻的8位准双向埠。P3口的每一位能驱动(吸收或输出电流)4个LS型TTL负载。P3口与其它的I/O埠有很大区别，它除作为般准双向IO口外，每个引脚还具有专门的功能，见表2-1。表2-1 端口引脚功能P1口也是一个准双向口，作通用I/O口使用。其电路结构见图3.4。3.4 P1口作通用I/O口使用图输出驱动部分内部有上拉负载电阻与电源相连。实质上拉电阻是两个场效应管(FET)并在一起，个FET为负载管，其电阻固定；另一个FET可工作在导通或截止两种状态，使其总电阻值变化近为0或阻值很大两种情况。当阻值近似为0时，可将引脚快速上拉至全高电平，当阻值很大时，P1口为高阻输入状态。当P1口输出高电平时，能向外提供拉电流负载，所以不必再接上拉电阻。在埠用作输入时，也必须先向对应的锁存器写入“1”，使FET截止。由于片内负载电阻较大，约20k40k，所以不会对输入的数据产生影响。3.1.5 定时器0和1使用定时和计数功能由特殊功能寄存器TMOD的控制位C/T 进行选择。这两个定时/计数器有4 种操作模式，通过TMOD的M1和M0选择两个定时/计数器的模式0、1和2都相同。模式3不同如下所述模式模式0将定时器设置成模式0时类似8048定时器，即8位计数器带32分频的预分频器。图3.5所示为模式0工作方式。此模式下定时器寄存器配置为13位元寄存器，当计数从全为1翻转为全为0时定时器中断标志位TFn置位。当TRn=1 同时GATE=0 或INTn=1 时定时器计数置位GATE 时允许由外部输入。INTn控制定时器，这样可实现脉宽测量，TRn为TCON 寄存器内的控制位图3。模式0的操作对于定时器0及定时器1都是相同的两个不同的GATE位，TMOD.7 和TMOD.3分别分配给定时器0及定时器1。 图3.5 定时器/计数器/0/1的模式0：13定时器/计数器模式1：模式1 除了使用了THn及TLn全部16位元外其它与模式0相同。模式2：此模式下定时器寄存器作为可自动重装的8位计数器TLn。如图3.6所示，TLn的溢出不仅置位TFn，而且将THn内容重新装入TLn。THn内容由软件预置重装时，THn内容不变。模式2的操作对于定时器0及定时器1是相同的。 图3.6 定时器寄存器模式3在模式3中定时器1停止计数效果与将TR1 设置为0相同.此模式下定时器0 的TL0 及TH0 作为两个独立的8 位计数器图3.7为模式3时的定时器0逻辑TL0占用定时器0 的控制位C/T、GATE、TR0、INT0 及TF0。TH0 限定为定时器功能计数器周期占用定时器1 的TR1 及TF1此时TH0控制定时器1中断。模式3可用于需要一个额外的8位定时器的场合定时器0工作于模式3时80C51看似有3个定时器/计数器当定时器0工作于模式3时定时器1可通过开关进入/退出模式3，它仍可用作串行端口的波特率发生器或者应用于任何不要求中断的场合。 图3.7 定时器/计数器/0/1的模式3：双8位计数器3.2 ADE7755原理介绍3.2.1 AD7755简介我国与发达国家一样，随着电力供应市场化的逐步深入和计算机网络的快速普及和发展，为了缓解电力供应紧张的现状，正在大力推广分时电价，双费率电子电能表成为电能表新的发展趋势和需求热点。仅上海市自2001年起，五年内需要600万台复费率电能表。 国外电能表正在向大电流、大动态的需求方向发展。美国模拟器件公司开发出一种体积小巧、动态范围可达1000：1的新型电能测量集成电路ADE7758，该IC内嵌了高精度的模数转换器和固定模式的数字处理信号处理器（DSP），具有数字积分、数字滤波和具有众多实用电能监测、计量功能，正成为新一代高性能全数字电能表的理想芯片。 截止到2002年10月，AD775X系列全数字电能测量处理芯片在全世界的销量已超过5000万片。ADE7755是具单相电能测量IC芯片，是美国ADI公司2003年8月推出的专用电能测量IC新产品。ADE775X系列电能测量专用集成电路芯片的推出，不仅简化了 电力测量新应用模块的设计难度，可做到全电子或真正固体化、静止化,以有利于提高性能，降低成本；还可以利用现有的电话线、专线、高频无线电调制解调器、光缆、低压配电线载波等技术手段完成自动抄读表、分时电价、实时电价、多功能计量、预付费等扩充应用功能。使电能计量具有高精度、高可靠性、免维护和双向通讯功能，适应电力市场化下的电力公司提供新的增值服务。 ADE7755是美国AD公司生产的一种高准确度电能测量集成电路，其技术指标超过IEC1036规定的准确度要求。AD7755为+5V单电源供电，低功耗的CMOS芯片；具有量程宽(负载能力高达4-6倍Ib)、精度高(在1%一500%Ib范围内，误差小于0.3%),内部具有掉电、上电自动复位电路等优点。当发生短路、开路、旁路的情况时，除了具有输出指示外，还能以原精度继续计量。只有在ADC和基准源中使用模拟电路，所有的其他信号处理(相乘和滤波)都使用了数字电路，有效的去除尖脉冲等干扰信号，使得ADE7755在恶劣的环境下仍能保持极高的准确度和长期稳定性。引脚Fl和F2以较低频率形式输出有功功率平均值，能直接驱动机电式计度器或与微处理器接口。引脚CF以较高频率形式输出有功功率瞬时值，用于校验或与微处理器接口。逻辑输出REVP用来指示负功率或错线。电流通道中的可编程增益放大器(PGA)使仪表能使用小阻值的分流电阻。芯片内部包含一个对电源引脚的监控电路，在上升到4V之前，ADE7755一直保持在复位状态，当下降到4V以下，ADE7755被复位，此时Fl，F2，CF都没有输出。无论电流通道的HPF是接通的还是断开的，ADE7755内部相位匹配电路使得电压和电流通道的相位始终是匹配的。另外，其内部的空载阐值特性保证了ADE7755在空载时没有潜动。其内部结构如图3.8所示，各引脚功能如表3-1。3.8 AD7755内部结构图3-1 AD7755引脚功能表引脚编号引脚名称功能描述1数字电源引脚，V2AC/DC高通滤波器HPF选择引脚3模拟电源引脚，V4，19NC不连接5，6，通道1（电流通道）的模拟信号正、负输入引脚7，8，通道2（电压通道）的模拟信号正、负输入引脚9RESET复位引脚10REF基准电压的输入输出引脚11AGND模拟地12SCF校验频率选择端，该引脚的逻辑输入电平确定CF引脚的输入频率13，14S1，S0数字频率转换时的传递函数的选择端，见表3.315，16G1，G0这两个引脚的逻辑输入用来选择通道1的增益，可能的增益是1，2，8，16见表3.417，18CLKIN，CLKOUT时钟输入输出端，这两端接3.58M晶振20REVP负功率指示端21DGND数字地22CF高频脉冲输出端，常用于仪表校验23，24F1，F2低平逻辑输出引脚，驱动机电计数器或两相步进电机3.2.2 ADE7755的有功功率测量原理从2.1节可知负载两端的瞬时功率为：从上式可以看出，瞬时功率包含直流分量和交流分量两部分。在绝大多数场合特别是民用仪表关心的是负载上消耗的有功功率，有功功率P定义为瞬时功率在一个周期内的平均值，即 为了得到有功功率分量（即直流分量），只要对瞬时功率信号进行低通滤波即可。图3.9给出了瞬时功率信号如何通过对瞬时功率信号进行低通滤波来获得有功功率，这个设计方案也能正确计算非正弦电流和电压波形在不同功率因数情况下的有功功率。所有信号处理都是由数字电路完成的。因此具有良好的温度和时间稳定性。图3.9 信号处理框图ADE7755的低频输出是通过对上述有功功率信号的累计产生的，即在两个输出脉冲之间通过长时间的累加，因此输出频率正比于平均有功功率。由于乘积后的LPF不是理想的滤波器，因此LPF输出的瞬时有功功率信号还包含了相当大的瞬时功率信息，即。这个信号通过数字一频率转换器，随时间被积分(累加)，进而产生输出频率。如果CF以较高的频率输出，是因为在对瞬时功率进行累加完成频率转换过程中，采用较短的累加时间，这就意味着减弱了对成分的平均作用，于是部分瞬时功率信号成分通过了频率转换器。当CF用于带微处理器的电能计量场合，CF应该进行平均后再计算功率。图3.10为ADE7755与电能测量微控制器的接口。AD7755MCU计数器定时器 图3.10 ADE7755与MCU的接口上图所示，频率输出CF端连接到MCU的端口，MCU在内部定时器设定的积分时间内对CF输出的脉冲计数，平均功率正比于平均频率，由下式确定：在一个积分周期内消耗的电能为：电能=平均功率积分时间=脉冲个数/积分时间积分时间=脉冲个数用作仪表校准时，积分时间应在10至20秒，以便能累计足够数量的脉冲，求得正确的平均频率。在正常运行时，积分时间可以减小到1至2秒，这取决于显示器更新速率的需要。第四章 硬件设计限电控制器的硬件包括AT89C51单片机、ADE7755、分压分流电路、电源电路、LED显示电路等。如图4.1所示。ADE7755微处理 器按键电路 继电器接口电路显示电路分流器分压电路电源电路图4.1 硬件系统图以下介绍限电控制器的电路设计4.1单片机最小系统单片机最小系统,或者称为最小应用系统,是指用最少的元件组成的单片机可以工作的系统。对51系列单片机来说,最小系统包括：单片机、晶振电路、复位电路。前面已经提到单片机选用AT89C51。单片机及外围电路如图4.2。图4.2 单片机及外围电路对于AT89C51单片机，其最小系统只需要电源、上电复位电路、时钟电路就能工作。由于我们的程序存储器（ROM）采用内部Flash存储单元，所以单片机上的EA接高。时钟电路的晶振采用12M的晶振，它由晶振、C8、C9和单片机内部的OSC电路组成，为单片机提供12MHz的时钟信号源。微处理器系统在开始工作时必须对微处理器内部的寄存器等进行复位，使各个寄存器的值设为预定状态才能顺利开始工作。复位电路的好坏决定着单片机能否正常工作。复位电路基本功能是在系统上电时提供复位信号，直至系统电源稳定后，撤销复位信号。为可靠起见，电源稳定后还要经过一定的延时才撤销复位信号，主要是防止由于电源开关或插头分合过程中引起的抖动。复位电路可以使用专用复位芯片，也可以用电阻电容搭建。本文从可靠性和成本考虑最终选用电阻电容来搭建复位电路。对于51内核的单片机，RST是复位信号输入端，高电平有效。当此输入端保持两个机器周期(24个时钟振荡周期)的高电平时，可以完成复位操作。R和C5为上电复位电路。当单片机加电时由于RC充电的效果，使得复位脚保持一会高电平使单片机内部寄存器彻底复位。4.2 供电电路图设计本设计采用对市电220V电压进行变压、整流、滤波、稳压的方法获得系统所需的电源。系统需要两种电压信号，一种是+12V，一种是+5V。其中+12V电压为继电器控制电路供电。+5v电源分为两路，一路为模拟电源，为ADE7755供电，另一路数字电源为微控制器电路供电。在+5V电源电路中，经变压器变压后的电压范围为8-30V。在这里选用12V。即使市电电压由220V降低到146V，仍能正常工作。电源电路由变压器、整流桥、三端稳压集成电路7805,以及滤波环节组成，其原理图参见图4.3所示。图4.3 电源电路4.3 继电器接口电路继电器在本设计中的作用是当剩余电量小于断电限度值时，继电器断开供电卡回路，停止供电。本设计采用上海贝斯特公司的BST-902型磁保持继电器。BST-902型大功率双稳态磁保持继电器的触点的开、合状态平时由永久磁钢速产生的磁力所保持，当继电器的触点需要开与合的状态转换时(即接通或切断负载)，只需用正(反)直流脉冲电压激励线圈，则继电器在瞬间就完成了开与合的状态转换。之后，线圈不需继续通电，仅依靠永久磁钢的磁力就能维持继电器的状态不变。磁保持继电器具有如下特点：(1)线圈功耗、温升低，不足同功率的普通电磁继电器的10%；(2)触点压力大，接通电阻小，电接触稳定性好；(3)结构紧凑、合理、体积小、耐振动、冲击、动作可靠；(4)触点切断功率大，能长期大负载工作，但转换频率不宜太高。继电器驱动电路采用开关三极管8050，如图4.4所示。 图4.4 继电器驱动电路4.4 键盘电路设计 键盘是标准的输入设备，实现键盘有两种方案：一是采用现有的一些芯片实现键盘扫描，如8279, CH451, LMC9768等，还有就是用软件实现键盘扫描。使用现成的芯片可以节省CPU的开销，但增加了成本，而用软件实现具有较强的灵活性，也只需要很少的CPU开销，可以节省开发成本。本文便使用软件实现键盘的扫描。 常见的键盘可分为独立按键式键盘和行列扫描式键盘。独立按键式键盘应用在需要少量按键的情况，按键和单片机的I/O口线直接连接。而行列扫描式键盘用在按键需求较多的情形下。考虑到血压计面向大多数人群，需操作简单，所以采用独立按键式键盘。独立式键盘电路如图4.5所示。其中P10、P11、P12、P13为51单片机的IO口。图4.5 按键电路图理论上当按键按下或弹起时，可以相应的产生低电平或高电平，但实际并非如此。键盘按键一般都采用触点式按键开关。当按键被按下或释放时，按键触点的弹性会产生抖动现象。即当按键按下时，触点不会迅速可靠地接通，当按键释放时，触点也不会立即断开，而是要经过一段时间的抖动刁才能稳定下来，按键材料不同，抖动时间也各不相同。按键抖动可能导致单片机将一次按键操作识别为多次操作，一般采用硬件电路或软件程序来消除。图 4.6 按键抖动示意图一次完整的按键过程，如图4.6所示，包含以下几个阶段：1.等待阶段：此时按键尚未按下，处于空闲阶段；2.闭合抖动阶段：此时键刚刚按下，但信号处于抖动状态，系统在检测时应消抖延时，约5ms到20ms；3.有效闭合阶段：此时抖动己经结束，一个有效按键动作己经产生，系统应该在此时执行按键功能，或将按键编码记录下来，待键弹起时再执行其功能；4.释放抖动阶段：许多时候编程人员并不在此时消抖延时，但最好也执行一次消抖延时，以防止误操作；5.有效释放阶段:若设计要求在按键抬起时才执行功能，则应当在此时进行按键功能的处理。按键击键的类型有多种划分方式：按击键时间分：短击和长击；按击键次数分：单击和连击；按特殊功能分：双击或组合键等。功能分析如下：1.短击，用户快速按下单个按键，然后立即释放；2.长击，用户长时间按下一个按键。如某些重要的功能键，复位，为防止用户误操作；3.连击，实现连续操作效果，如连续加1或减1；4.复合按键，用户同时按下两个或多个按键，实现某些特殊功能；5.无键按下，当用户在一定时间内未按任何按键，执行某些特殊的操作，如自动进入待机态或节能态。4.5 显示电路设计显示电